挪威科技大学重新探讨聚合物/陶瓷混合电解质 为下一代电动汽车电池制造材料

随着电动汽车迅速发展，人们迫切需要储能更高的新型电池，以实现长续航里程。目前的锂离子电池使用液态电解质，正在接近其理论能量密度极限。为了在不增加电池尺寸的情况下储存更多的能量，研究人员正在探讨固态电解质。与锂离子电池相比，固态电池更加安全，更稳定。据外媒报道，挪威科技大学（NTNU）的研究人员发现，在开发下一代电池时，有一种一度被视为富有前景的电解质材料，现需要对其重新进行研究和审视。

由氧化锂石榴石陶瓷填料制成的纳米线的扫描电子显微镜图像。（图片来源：挪威科技大学）

陶瓷与聚合物的混合物
一种名为聚（环氧乙烷）或PEO的聚合物，符合固态电解质的要求，因其灵活、轻便、易加工。然而，电解质需要具有良好的锂离子传导性，PEO无法满足这一要求。另一方面，陶瓷材料具有良好的离子传导性，但不具备聚合物的机械优势。
因此，研究人员向聚合物中添加陶瓷粉末填料。NTNU材料科学与工程系副教授 Daniel Rettenwander表示：“这一想法是将陶瓷颗粒放入这些聚合物中，然后以某种方式实现两全其美。”事实上，以往确有很多报道称，在添加了填料后，聚合物电解质能更好地传导离子，甚至有观点认为这些填料可以形成快速通道网络，以便锂离子通过材料。
然而，在这项研究中，Rettenwander及其同事发现，这些填料实际上并不参与电解质中的锂离子传输。也许与以往观点有所不同，但这一发现可能帮助研究人员走上一条更有成效的道路，从而开发更好的电池。

了解材料行为方式
研究人员用不同数量的氧化锂石榴石陶瓷（LLZO）填料来制作薄膜，这些填充物以颗粒和线的形式存在，只有纳米宽度。然后，使用扫描电子显微镜观察薄膜的横截面，并与奥地利里奥本材料研究中心（MCL）的Roland Brunner合作，使用X射线计算机断层扫描技术从微观尺度拍摄材料内部快照。
将这些快照与材料性能的测量结果进行比较，可以得出关于填充颗粒如何影响聚合物中离子行为的结论。研究人员发现，这些颗粒和纳米线均匀地分布在聚合物中，并没有形成能够加快锂离子传输的网络。含有更多填料的薄膜，实际上离子导电性较差，这支持了填料不参与离子传输的结论。Rettenwander表示：“仅仅在薄膜内添加填料并不能带来任何改善。虽然有的陶瓷确实提高了性能，但不代表这就是其固有特性。”
那么，为什么一些实验发现添加填料能够提升电导率，而实际上它们并没有在离子传输中起作用呢？研究人员认为，这可能是聚合物本身发生的变化给材料带来了优势，即从有序的晶体结构变成了更加无定形、不规则的形式。

电池的能量密度还能翻倍吗？
当然，这并不意味着在聚合物中添加填料，是固态电池研究的死胡同。Rettenwander表示：“使用填料仍然是一个很好的策略，只是仅在里面放填充物是不够的。为了使这些薄膜发挥作用，必须改善聚合物和陶瓷之间的界面。”例如，Rettenwander正在研究一种方法，通过改变材料表面促进形成更好的键合。
对于电动汽车中使用的固态电池而言，如果能找到一种方法将这两种材料的优点结合起来，可以显著减少充电次数。Rettenwander表示：“如果能够制造固态电池，就可以将能量密度增加近一倍，使续航里程增加近两倍。”